基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居家庭安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

◎潘曉貝

（三門(mén)峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程學(xué)院，河南 三門(mén)峽 472000）

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人們的生活水平在不斷進(jìn)步，各式大型家電和以天然氣為能量原料的家居設(shè)備已經(jīng)進(jìn)入千家萬(wàn)戶，這些設(shè)備在給人們的生活帶來(lái)便利的同時(shí)，也存在著一定的安全隱患，家庭安防系統(tǒng)就變得更加重要了。為了滿足人們的需要，各種各樣的家庭安防報(bào)警系統(tǒng)被不斷開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，傳統(tǒng)家庭安防系統(tǒng)往往功能單一、誤報(bào)率較高、不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程報(bào)警。雖然近年來(lái)智能家居發(fā)展迅速，市場(chǎng)上也已經(jīng)出現(xiàn)了智能家居產(chǎn)品，家庭安防系統(tǒng)作為智能家居系統(tǒng)的一個(gè)最重要的子系統(tǒng)也有很大改進(jìn)，但是還存在以下問(wèn)題：價(jià)格昂貴、系統(tǒng)擴(kuò)展困難、系統(tǒng)穩(wěn)定性不高、系統(tǒng)安全性不高等[1]。筆者結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)思想，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和家庭安防系統(tǒng)聯(lián)系起來(lái)，研究當(dāng)前流行的ZigBee無(wú)線傳感技術(shù)、Wi-Fi技術(shù)和GSM技術(shù)，通過(guò)ARM嵌入式系統(tǒng)，將三種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)綜合運(yùn)用，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出一套實(shí)用的智能家居家庭安防系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)是否有燃?xì)庑孤?、火?zāi)事故、非法入室等意外事件，如果有意外事件發(fā)生，ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)就會(huì)將采集到的信息發(fā)送到ARM主控中心，主控中心識(shí)別處理后就發(fā)出指令，蜂鳴器會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)[2]。同時(shí)，一方面利用GSM技術(shù)將事件信息通過(guò)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到主人的手機(jī)；另一方面，利用Wi-Fi將事件信息通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送到物業(yè)的主機(jī)，以使物業(yè)能及時(shí)采取措施，保證業(yè)主的安全、減少業(yè)主的損失。與其他安防系統(tǒng)相比較，該系統(tǒng)具有成本低、結(jié)構(gòu)靈活、擴(kuò)展方便、容易實(shí)現(xiàn)、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，并能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程報(bào)警，是實(shí)現(xiàn)智能家居家庭安防系統(tǒng)的很不錯(cuò)的方案。

1 物聯(lián)網(wǎng)及其體系結(jié)構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things）即物與物的互聯(lián)，它采用計(jì)算機(jī)技術(shù)、無(wú)線傳感器技術(shù)、RFID無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)等新技術(shù)，以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)人與物、物與物的“交流”。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，將使人們的生活變得更加舒適、智能。

物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)可以分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層（傳輸層）、應(yīng)用層。感知層的作用是感知、采集物理世界的各類信息，并利用通信模塊實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體和網(wǎng)絡(luò)的連接[3]。網(wǎng)絡(luò)層的功能是完成信息的傳遞、路由和控制[4]。應(yīng)用層主要由各種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用、基礎(chǔ)設(shè)施和中間件構(gòu)成[5]。

2 家庭安防系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)功能

本文設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)智能家庭安防監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要監(jiān)測(cè)的參數(shù)對(duì)象有：燃?xì)獾扔泻怏w泄漏、火災(zāi)煙霧及偷盜等非法侵入。本系統(tǒng)主要有以下三個(gè)方面的功能：一、監(jiān)測(cè)燃?xì)庑孤┎?bào)警，在廚房安放可檢測(cè)燃?xì)庑孤┑臍怏w煙霧傳感器MQ-2，當(dāng)監(jiān)測(cè)到天然氣濃度大于一定值時(shí)[6]，系統(tǒng)將自動(dòng)報(bào)警，同時(shí)通知業(yè)主和物業(yè)，以便及時(shí)采取措施，確保業(yè)主生命安全；二、監(jiān)測(cè)火災(zāi)煙霧并報(bào)警，在室內(nèi)的每一個(gè)房間安裝對(duì)煙霧也非常敏感的傳感器MQ-2，傳感器檢測(cè)到火災(zāi)煙霧后會(huì)立即向主控中心發(fā)出信號(hào)，主控中心會(huì)立即發(fā)出指令通知業(yè)主和物業(yè)，從而有效減少火災(zāi)給人們帶來(lái)的生命財(cái)產(chǎn)危害；三、檢測(cè)非法入室并報(bào)警，將人體紅外傳感器安裝在入戶門(mén)口和每個(gè)窗戶的隱蔽位置，當(dāng)有不法分子試圖入室行竊，人體紅外傳感器會(huì)立刻把信息發(fā)送到主控中心，主控中心會(huì)立即發(fā)出指令，在報(bào)警的同時(shí)通知業(yè)主和物業(yè)，從而有效地避免業(yè)主的財(cái)產(chǎn)損失，也能有效減少入室盜竊的發(fā)生。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家庭安防系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能，確定本系統(tǒng)的整體框架結(jié)構(gòu)，如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)分為五大模塊，第一部分是主控模塊，這是硬件系統(tǒng)的核心，整個(gè)系統(tǒng)的控制功能都是由主控模塊實(shí)現(xiàn)的，主控模塊的核心就是STM32單片機(jī)，即ARM芯片STM32F103RBT6。第二部分是電源模塊，電源模塊對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行供電，以保證系統(tǒng)正常工作。第三部分是ZigBee無(wú)線傳感模塊，本系統(tǒng)利用不同類型的傳感器監(jiān)測(cè)室內(nèi)環(huán)境中的不同參數(shù)，利用ZigBee無(wú)線傳輸技術(shù)將各類傳感器組成無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，保證將采集到的事件信息發(fā)送到主控中心。第四部分是Wi-Fi模塊，此無(wú)線Wi-Fi傳輸模塊與主控STM32單片機(jī)是通過(guò)串口連接，保證將傳感器采集到的信息通過(guò)Wi-Fi發(fā)送給物業(yè)。第五部分是GSM模塊，GSM模塊和主控中心連接，實(shí)現(xiàn)將事件信息通過(guò)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)以短信形式發(fā)送到用戶手機(jī)。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框架

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 主控芯片選擇

本文設(shè)計(jì)的智能家居家庭安防系統(tǒng)，要求能夠?qū)崿F(xiàn)家居中意外事件的監(jiān)控、預(yù)警、報(bào)警。結(jié)合系統(tǒng)需求，本系統(tǒng)選意法半導(dǎo)體公司的STM32F103RBT6作為核心芯片，此芯片資源豐富，集成度高，功能強(qiáng)[7]。該核心芯片包含20K SRAM、128K FLASH以及不同功能的定時(shí)器、DMA控制器、12位ADC和12位DAC以及通用接口等其他資源。此款芯片不但資源豐富，還具有很好的實(shí)時(shí)性能和功耗控制，故將其作為本設(shè)計(jì)的智能家庭安防系統(tǒng)的核心控制芯片。

3.2 電源電路

系統(tǒng)主控芯片STM32F103RBT6要求3.3V供電，傳感器模塊需要5V供電，故本系統(tǒng)電源部分設(shè)計(jì)了3.3V電源電路和5V電源電路。3.3V電源電路由兩個(gè)LM317三端集成穩(wěn)壓器及其外圍電路將12V電壓轉(zhuǎn)換為3.3V電壓輸出，如圖2所示；5V電源電路直接選用了直流/直流轉(zhuǎn)換器2359芯片，將輸入12V直流電壓轉(zhuǎn)換為5V直流電壓輸出。

圖2 輸出3.3V電源電路

3.3 Wi-Fi模塊電路設(shè)計(jì)

現(xiàn)如今，Wi-Fi已經(jīng)在城市中的絕大多數(shù)家庭普及，它可以把PC機(jī)等終端設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)。市面上的Wi-Fi模塊有很多種類，本系統(tǒng)選擇海凌科有限公司的第三代嵌入式Uart-Wi-Fi模塊：HLKWIFI-M03。該模塊內(nèi)置無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議IEEE802.11協(xié)議棧以及TCP/IP協(xié)議棧，能夠?qū)崿F(xiàn)用戶串口數(shù)據(jù)到無(wú)線網(wǎng)絡(luò)之間的轉(zhuǎn)換。在電路連接上，Wi-Fi模塊HLK-WIFI-M03的第6引腳（RXD）與主控芯片STM32的第78引腳（PC10）相連，HLK-WIFI-M03的第7引腳（TXD）與主控芯片STM32的第79引腳（PC11）相連。

3.4 GSM模塊電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選用深圳合方圓的GSM產(chǎn)品：GU900D GSM/GPRS模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)短信、語(yǔ)音、數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)。該模塊具有標(biāo)準(zhǔn)AT指令和支持多種協(xié)議的AT指令以及合方圓增強(qiáng)AT指令。該模塊具有高度穩(wěn)定可靠、開(kāi)發(fā)便捷高效等優(yōu)點(diǎn)，有良好的用戶體驗(yàn)。該模塊的9引腳是串口通信數(shù)據(jù)發(fā)送引腳，10引腳是串口通信數(shù)據(jù)接收引腳，分別連接主控芯片STM32的RXD4和TXD4端，通過(guò)AT指令集通信。

3.5 ZigBee無(wú)線傳感模塊硬件設(shè)計(jì)

3.5.1 ZigBee模塊的選型

本系統(tǒng)中，考慮采用CC2530作為基于ZigBee的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)的核心控制模塊。CC2530是TI（德州儀器）新一代SOC，兼容IEEE802.15.4，是高集成度、高性價(jià)比的ZigBee解決方案。與上一代SOC射頻芯片CC2430相比，CC2530在很多方面有非常大的提升，比如：功耗更低、抑制射頻噪聲能力更強(qiáng)、ESD防護(hù)能力更強(qiáng)、地址識(shí)別能力更強(qiáng)、強(qiáng)大的數(shù)據(jù)包處理引擎、更小的封裝等方面[8]。

3.5.2 氣體泄漏和煙霧檢測(cè)傳感器電路設(shè)計(jì)

家居生活中天然氣等可燃?xì)怏w為人類生活帶來(lái)了很大的便利，但一旦發(fā)生泄漏可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的危害。若這些可燃?xì)怏w泄漏再遇到明火，就會(huì)發(fā)生爆炸、火災(zāi)等嚴(yán)重事故。本系統(tǒng)中選擇氣體、煙霧傳感器MQ-2監(jiān)測(cè)環(huán)境中的氣體，當(dāng)環(huán)境中存在可燃?xì)怏w時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率會(huì)增大，利用這一特性[9]，使用簡(jiǎn)單的電路轉(zhuǎn)換可將電導(dǎo)率的變化對(duì)應(yīng)為氣體濃度的輸出信號(hào)。MQ-2傳感器可檢測(cè)包括天然氣在內(nèi)的多種可燃?xì)怏w，具有靈敏度高、可靠穩(wěn)定等特性。另外，此MQ-2傳感器對(duì)煙霧異常敏感，用它還能實(shí)現(xiàn)火災(zāi)煙霧的檢測(cè)。本系統(tǒng)中采用MQ-2傳感器實(shí)現(xiàn)氣體（如天然氣）泄漏檢測(cè)和火災(zāi)煙霧檢測(cè)。MQ-2氣體、煙霧傳感器電路原理圖如圖3所示。

圖3 MQ-2煙霧傳感器電路原理

3.5.3 人體紅外傳感器模塊

本系統(tǒng)選用HC-SR501人體紅外傳感器，該傳感器利用紅外線技術(shù)實(shí)現(xiàn)室內(nèi)不法分子非法進(jìn)入的檢測(cè)，并能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。該模塊工作電壓范圍寬（直流4.5V-20V之間）；功耗很低很節(jié)能；觸發(fā)方式靈活；有溫度補(bǔ)償功能可以解決溫度升高引起的檢測(cè)距離縮短的問(wèn)題。最重要的是該模塊能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)感應(yīng)，有人非法進(jìn)入時(shí)輸出高電平信號(hào)，有人離開(kāi)感應(yīng)區(qū)間或感應(yīng)區(qū)域內(nèi)無(wú)人進(jìn)入時(shí)輸出低電平。HCSR501傳感器外接端第1、3端分別接電源正極和負(fù)極，2端為輸出 （高電平或低電平），H、L為觸發(fā)方式選擇（H為可重復(fù)觸發(fā)，L為不可重復(fù)觸發(fā)）。

3.6 串口電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了串口電平轉(zhuǎn)換電路，這是為了解決各模塊設(shè)備輸出電平不匹配的問(wèn)題。本系統(tǒng)選用MAX3232來(lái)設(shè)計(jì)串口電平轉(zhuǎn)換，選用的串行接口是9針的RS-232，設(shè)計(jì)電路如圖4所示。Wi-Fi模塊連接MAX3232的9引腳和10引腳；GSM模塊連接MAX3232的11和12引腳。ZigBee無(wú)線傳輸模塊與主控芯片STM32的正常通信也是基于此串口轉(zhuǎn)換電路中串行接口的連接。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是關(guān)于ZigBee無(wú)線模塊的軟件設(shè)計(jì)，其功能是ZigBee協(xié)調(diào)器和終端設(shè)備的遷移，基于Z-Stack協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)。

圖4 串口電平轉(zhuǎn)換電路

ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)協(xié)調(diào)器和多個(gè)路由器多個(gè)終端組成，其核心是協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器主要作用是選擇一個(gè)相對(duì)空閑的信道以啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，所以網(wǎng)絡(luò)的組建和數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)都是由協(xié)調(diào)器完成。協(xié)調(diào)器組好網(wǎng)后，再通過(guò)軟件程序?qū)崿F(xiàn)各終端設(shè)備和協(xié)調(diào)器的綁定。ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)組建詳細(xì)流程如圖5所示。

圖5 ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)組建流程

5 系統(tǒng)測(cè)試

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的家庭安防系統(tǒng)中居室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)傳輸采用ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，因此，主要對(duì)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的性能進(jìn)行測(cè)試。分別進(jìn)行了有障礙和無(wú)障礙測(cè)試，具體測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1和表2。

表1 無(wú)障礙測(cè)試結(jié)果

表2 有障礙測(cè)試結(jié)果

從測(cè)試數(shù)據(jù)中可以看出，無(wú)障礙物時(shí)數(shù)據(jù)在居室內(nèi)傳輸120m，丟包率為0%，在有障礙物時(shí)，穿越兩堵墻，丟包率只有1.2%，說(shuō)明該ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)基本能實(shí)現(xiàn)可靠通信?？梢?jiàn)，本系統(tǒng)利用ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)來(lái)檢測(cè)、傳輸事件信息，其與主控芯片的通訊通過(guò)串口實(shí)現(xiàn)，相對(duì)于其他家庭安防系統(tǒng)，本系統(tǒng)在通訊的穩(wěn)定性上有明顯優(yōu)勢(shì)。

6 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)思想，采用ZigBee無(wú)線傳感技術(shù)、GSM網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和Wi-Fi無(wú)線通信技術(shù)，通過(guò)ARM嵌入式系統(tǒng)將三種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)綜合運(yùn)用，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出了一套實(shí)用的智能家居家庭安防系統(tǒng)，并進(jìn)行了系統(tǒng)測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)通信基本穩(wěn)定，無(wú)障礙時(shí)可穩(wěn)定傳輸120m，有障礙時(shí)隔兩堵墻也可基本實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定傳輸。本文設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)的家庭安防系統(tǒng)，既克服了傳統(tǒng)家庭安防系統(tǒng)功能單一、擴(kuò)展困難、誤報(bào)率高、不能實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程報(bào)警等缺點(diǎn)，又在系統(tǒng)通訊的穩(wěn)定性上較現(xiàn)有其他安防系統(tǒng)具有明顯優(yōu)勢(shì)。本系統(tǒng)能夠有效地起到意外事件的預(yù)防、報(bào)警作用，從而有效保障人民群眾的生命安全和居家財(cái)產(chǎn)安全，有很好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。